不同產(chǎn)地蒙古黃芪礦物元素比較研究

王玲玲， 王 博， 熊 豐， 楊路存， 李晶晶， 肖元明， 周國英*

1. 中國科學(xué)院西北高原生物研究所, 青海 西寧 810008

2. 中國科學(xué)院藏藥研究重點實驗室, 青海 西寧 810008

3. 中國科學(xué)院大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 北京 100049

4. 青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 青海 西寧 810008

引 言

蒙古黃芪(Astragalusmembranaceus)屬于豆科黃芪屬多年生草本植物， 是我國傳統(tǒng)常用的大宗中藥材之一。 黃芪的藥用歷史悠久， 最早出現(xiàn)在《神農(nóng)本草經(jīng)》， 被列為上品。 《中國藥典》(2015)表明， 黃芪具有補氣升陽、 固表止汗、 化瘀通痹、 扶毒促肌等作用[1]， 由于其獨特的藥效， 臨床應(yīng)用十分廣泛[2]。 毛蕊異黃酮葡萄糖苷和黃芪甲苷為主要的化學(xué)活性成分， 被《中國藥典》(2015)列為黃芪質(zhì)量控制的指標(biāo)成分。 目前， 野生黃芪資源匱乏， 為解決市場和行業(yè)需求， 市場上以人工栽培的速生芪為主， 其中栽培黃芪資源量最大， 占總資源80%以上[3]。 因此， 分析其品質(zhì)對加強對蒙古黃芪資源開發(fā)和利用具有一定的應(yīng)用和理論價值。

近些年， 在元素醫(yī)學(xué)興起和生物無機化學(xué)迅速發(fā)展的背景下， 人們越來越重視對中藥中無機成分的研究[4]。 雷連娣等通過Logistic回歸分析， 中藥材黃芪中無機元素含量與海拔、 經(jīng)度、 緯度、 坡度以及坡向關(guān)系密切[5]。 研究表明， 山西、 內(nèi)蒙古、 甘肅等地的黃芪藥材中元素含量表現(xiàn)出地域性差異[6]。 鋅、 銅、 錳、 鎂等元素可能是影響當(dāng)歸真?zhèn)蔚淖钪饕獰o機元素， 從元素角度證明當(dāng)歸的道地性成因[7]。 因此， 明確蒙古黃芪中無機元素的組成， 分析研究不同產(chǎn)地栽培黃芪藥材中無機元素的分布規(guī)律對其綜合開發(fā)具有現(xiàn)實意義。 目前對黃芪的研究偏重于有機成分， 而對同省份內(nèi)不同產(chǎn)區(qū)黃芪無機元素含量的區(qū)域性差異研究較少。 本研究收集了青海省不同產(chǎn)地栽培的蒙古黃芪樣品， 采用等離子發(fā)射光譜(ICP-OES)測定黃芪藥材中12種礦物元素含量， 并對其進行主成分分析和聚類分析， 從元素角度闡明不同產(chǎn)地黃芪品質(zhì)差異的原因， 以期為黃芪的藥效開發(fā)、 資源可持續(xù)利用和質(zhì)量安全控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與參數(shù)

Optima 8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國Perkin Elmer公司)； 工作參數(shù)： 霧化氣流0.55 L·min-1， 射頻功率1.3 kW， 輔助氣流量0.2 L·min-1， 冷卻氣流量 15 L·min-1， 進樣量1.5 mL·min-1。

1.2 樣品

供試品由青海省18個黃芪藥材產(chǎn)地采集， 每個產(chǎn)地采集10個樣品， 清洗、 曬干、 粉碎后將該產(chǎn)地10份樣品粉混勻后備用， 共18個樣品。 原植物經(jīng)中國科學(xué)院西北高原生物研究所周國英研究員鑒定， 均為兩年生栽培蒙古黃芪(Astragalusmembranaceus(Fisch.)Bge.var.membranaceus(Bge.)Hsiao)。 樣品產(chǎn)地信息見表1。

表1 樣品采集地信息

1.3 礦物元素提取

精密稱取樣品0.200 g， 置于聚四氟乙烯微波消解罐中， 加入硝酸10 mL， 浸泡過夜， 加蓋密封， 置于微波消解儀中消解。 待消解完全后， 開蓋， 將消解罐置于趕酸器中加熱趕酸， 設(shè)置溫度180 ℃， 時間1.5 h。 待酸趕盡， 轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容， 然后轉(zhuǎn)移至PE塑料液體瓶中標(biāo)記， 待測。 同法同時制備空白溶液。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Execl對數(shù)據(jù)進行整理， 采用R語言對數(shù)據(jù)進行主成分分析。 采用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行聚類分析。 采用Origin對不同產(chǎn)地蒙古黃芪無機元素含量進行繪圖比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素含量測定結(jié)果

不同產(chǎn)地蒙古黃芪中無機元素含量測定結(jié)果， 見表2。 結(jié)果顯示， 12種無機元素中含量最高的是K， 其均值達(dá)到9 598.620 mg·kg-1。 Al， Ca， Fe， Mg， Na， P元素含量較高， 而Cu， Mn， Sr， Zn元素含量較低。 Li元素含量最低， 平均值只有0.330 mg·kg-1。 Cu屬于重金屬元素， 其在各樣品中的含量值均不超過20 mg·kg-1， 符合藥典規(guī)定。

表2 元素含量測定結(jié)果及指紋圖譜相似度分析

續(xù)表2

不同產(chǎn)地之間的元素含量存在差異， 比如Al元素在各產(chǎn)地樣本中的含量范圍為42.638～767.008 mg·kg-1， Fe元素含量范圍為14.221～1 000.230 mg·kg-1， Na元素含量范圍為6.479～1 088.654 mg·kg-1。 結(jié)果表明不同產(chǎn)地間的蒙古黃芪由于土壤、 氣候及當(dāng)?shù)毓芾泶胧┒斐善焚|(zhì)的差異。 即使同是一個縣內(nèi)的蒙古黃芪， 其元素含量波動差異也很大， 比如Al元素在民和縣5個產(chǎn)區(qū)的差異范圍是45.136～767.008 mg·kg-1， 互助縣的差異范圍是42.638～160.730 mg·kg-1， 湟中縣的差異范圍是75.795～289.263 mg·kg-1。 表明同一縣內(nèi)可能由于不同的栽培管理措施而造成蒙古黃芪無機元素含量的差異。

2.2 蒙古黃芪無機元素指紋圖譜的建立

根據(jù)元素測定結(jié)果， 篩選出12種共有元素(Al, Ca, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, P, Sr和Zn)建立蒙古黃芪無機元素特征指紋圖譜， 如圖1(a,b)所示。 黃芪中各元素含量雖有差異， 但在后期鑒別過程中可根據(jù)元素分布特征曲線的變化趨勢進行鑒別。 根據(jù)角余弦法計算相似度(表2)結(jié)果顯示， 除樂都區(qū)蘆化鄉(xiāng)本康嶺村的S12相似度值為0.797， 其余產(chǎn)地的藥材樣品均大于0.996。 說明蒙古黃芪無機元素指紋特征圖譜的相似度較好。

圖1 無機元素分布特征圖譜(a)和無機元素分布對照特征圖譜(b)

2.3 蒙古黃芪無機元素主成分分析及其產(chǎn)地綜合評價

主成分分析采用降維的思想對多個指標(biāo)進行綜合分析， 提取出一些潛在的綜合指標(biāo)來代替原來更具可觀察性的指標(biāo)來描述每個個體[8]， 作為一種更為合理、 客觀、 可靠的統(tǒng)計方法， 對不同地區(qū)中藥質(zhì)量評價的選擇具有實際應(yīng)用價值[9]。 采用R語言對18個產(chǎn)地的蒙古黃芪無機元素進行主成分分析， 以主成分特征值>1、 累積貢獻(xiàn)率>80%為參考， 前3個主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)81.42%， 能夠代替12種無機元素來評價不同產(chǎn)地蒙古黃芪無機元素的差異。 Ca， Fe， Li， P在第一主成分中占有較大貢獻(xiàn)率， 方差貢獻(xiàn)率為48.87%； 第二主成分的代表元素是K， Mg， Zn， 方差貢獻(xiàn)率為21.73%； 第三主成分代表元素是Al， Ca， Na， 方差貢獻(xiàn)率為10.82%。 表明， 不同產(chǎn)地之間這些元素存在差異， 因此可知Ca， Fe， Li， P， K， Mg， Zn， AL， Na是導(dǎo)致不同產(chǎn)地蒙古黃芪內(nèi)在差異的特征元素。

從表3可知， 按總因子得分值F進行排序， 從無機元素角度， 互助縣東溝鄉(xiāng)納卡村排名第一， 其次是互助縣林川鄉(xiāng)許家村、 互助縣南門峽鎮(zhèn)卷槽村， 可見互助縣蒙古黃芪的綜合品質(zhì)較優(yōu)。 民和縣甘溝鄉(xiāng)峽門村、 民和縣滿坪鎮(zhèn)清泉村排名靠前， 而其他民和三個地方的排名靠后， 說明民和縣內(nèi)分布的蒙古黃芪品質(zhì)差異較大。 大通縣朔北鄉(xiāng)白崖村黃芪品質(zhì)排名第四， 但其采樣點只有一個， 不足以代表大通縣整體蒙古黃芪的品質(zhì)優(yōu)劣， 有待進一步研究。

表3 不同產(chǎn)地蒙古黃芪的綜合評價

2.4 聚類分析

聚類分析是一種客觀評價中藥來源的新方法。 以組間連接法為組群合并準(zhǔn)則， 采用SPSS對不同產(chǎn)地蒙古黃芪無機元素進行樣本系統(tǒng)聚類分析， 結(jié)果見圖2。 當(dāng)歐式距離為4時， S12單獨聚為一類； S3單獨聚為一類； S4， S5和S6單獨聚為一類； S8， S9， S14， S15， S17和S18聚為一類； S1， S7， S10， S11， S2， S13和S16聚為一類。 當(dāng)歐式距離為8時(圖3)， 聚為三大類， 用紅點表示S1， S2， S4， S5， S6， S7， S10， S11， S13和S16； 綠點表示S3， S8， S9， S14， S15， S17和S18； 藍(lán)點表示S12。 這表明同一產(chǎn)區(qū)的蒙古黃芪無機元素與含量既有一定的關(guān)聯(lián)性， 又有一定的差異存在， 可能與當(dāng)?shù)卦耘喾绞胶吞镩g管理不同有關(guān)。

圖2 聚類分析譜系圖

圖3 采樣點分布

3 結(jié) 論

電感耦合等離子體發(fā)射光譜以高靈敏度、 檢出限低、 分析速度快等優(yōu)點， 被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、 食品、 冶金、 環(huán)保等領(lǐng)域， 是無機元素分析的重要工具[10]。 本工作采用ICP-OES法、 主成分分析法和聚類分析法研究了不同產(chǎn)地黃芪中無機元素的差異， 將12種無機元素簡化為3個主成分， 并依次對18個產(chǎn)地的蒙古黃芪進行綜合評價， 結(jié)果顯示青海省不同產(chǎn)地蒙古黃芪的無機元素存在差異， 而且有同種元素在不同產(chǎn)地的含量差異范圍很大。 根據(jù)蒙古黃芪不同產(chǎn)地12種共有元素， 建立其無機元素指紋圖譜， 為科學(xué)、 準(zhǔn)確地判別和評價黃芪藥材質(zhì)量提供了研究基礎(chǔ)。 主成分分析結(jié)果篩選出蒙古黃芪主要的特征元素是Ca， Fe， Li， P， K， Mg， Zn， AL， Na。 從元素角度分析， 互助縣的蒙古黃芪綜合品質(zhì)較優(yōu)， 民和縣的蒙古黃芪品質(zhì)差異較大。 聚類分析結(jié)果顯示， 民和縣的五個產(chǎn)區(qū)分別聚為三類， 可見差異較大， 這可能與當(dāng)?shù)卦耘喙芾泶胧┯嘘P(guān)。

無機元素不僅影響植物的生理活動， 而且是藥材的有效成分之一， 不同藥材中元素分布特征不同[11]。 本研究結(jié)果顯示黃芪中K， P， Ca和Mg含量相對較高， 與蒙古黃芪的藥效是一致的。 K元素與黃芪降血糖作用有關(guān)[12]， P， Ca和Mg元素與黃芪提高免疫力、 鎮(zhèn)靜作用有一定關(guān)系[13]。 在植物生長發(fā)育過程中， 土壤通過植物根系為植物生長提供必需的養(yǎng)分。 不同產(chǎn)地的蒙古黃芪無機元素差異最主要的原因可能是土壤差別造成的。 其次， 不同地區(qū)的光照時間和強度、 氣候、 施肥和降水等生態(tài)環(huán)境因素對中草藥的元素含量有直接影響。 這也證實了藥用植物礦質(zhì)元素的地域性特征， 即異地栽培會產(chǎn)生“質(zhì)同效異”的結(jié)果。 因此可以通過對無機元素的種類和含量測定， 并結(jié)合藥材活性成分， 進行藥材溯源， 從而為保障藥材質(zhì)量和安全提供參考依據(jù)， 同時為蒙古黃芪道地性形成機制研究提供新思路。